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Comparative study on sulfur infiltration methods for metal-sulfur batteries

Schwan, Marina and Kröner, Jessica and Milow, Ida and Milow, Barbara (2024) Comparative study on sulfur infiltration methods for metal-sulfur batteries. Batterieforum Berlin 2024, 2024-01-24 - 2024-01-26, Berlin.

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Abstract

In einer Metall-Schwefel-Batterie besteht die Kathode aus einem Komposit aus Aktivkohle und Schwefel, welches als elektrochemisch aktives Material dient. Um die Poren der Aktivkohle mit Schwefel zu füllen, werden sowohl die Schmelz- als auch die Gasinfiltration verwendet. Der Gesamtprozess mit Heiz- und Kühlphasen ist sehr zeit- und energieintensiv. Außerdem können in den bisher etablierten Prozessen nur sehr kleine Mengen an Probe in einem Batch-Prozess verarbeitet werden. Für die Verarbeitung von großen Mengen steigt der Aufwand so stark, dass die Prozesse nicht ökonomisch durchführbar sind. Um die Herstellung von Schwefel-Kohlenstoff-Kompositen zu optimieren, werden Infiltrationsmethoden benötigt, welche den Materialdurchsatz erhöhen und die Dauer sowie den Energieverbrauch verbessern. Dazu werden verschiedene Infiltrationsmethoden verwendet und auf ihre Performance hin untersucht. Schwefel wird mit Hilfe von verschiedenen Infiltrationsmethoden in mikroporösen Kohlenstoff eingebracht. Die verwendeten Methoden beruhen sowohl auf der Schmelz- als auch auf der Gasinfiltration. Es werden kontinuierliche Industrieprozesse, sowie schnelle Batchprozesse betrachtet und mit den Prozessen im Labormaßstab verglichen. Die untersuchten Methoden zur Schwefelinfiltration wurden mit einem Kohlenstoff-Aerogel durchgeführt, welches ein Mikroporenvolumen von 0,27 bis 0,45 cm³/g aufweist. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass mithilfe von Gas-, Extruder- und Schmelzinfiltrationen die höchsten Schwefelbeladungen erreicht werden konnten, wobei der Schwefel überwiegend in den Mikroporen vorliegt. Die Komposite hergestellt mit Gas [1]- und Extruderinfiltrationen [3] weisen gute Zyklenstabilität und hohe Entladekapazität auf. Im Vergleich dazu, zeigten offene Gasinfiltration, Mikrowelleninfiltration [2] und Infiltration im Lösungsmittel geringe Schwefelbeladungen, sowie eine unzureichende Performance in der Zelle. Die Ergebnisse sind in Abb. 1 zusammengefasst. Unsere Studie zeigt, dass bei der Auswahl der Infiltrationsmethoden folgende Parameter berücksichtigt werden sollen: - Eigenschaften (Porosität, Porenvolumen und Porengrößen) des Kohlenstoffmaterials - Energie-, Ressourcen- und Zeitbedarf - Transfermöglichkeiten von Laborzelle bis hin zur Batterieproduktion - Batteriesystem (Anodenmaterial, Elektrolyt, Separator) - Substitution und Kombination von Prozessschritten Abhängig von den Anforderungen an die Batterie kann die Infiltrationsmethode zwischen aufwendigen, nicht aufskalierbaren mit herausragender Performance und ökonomisch effizienten mit moderater Leistung ausgewählt werden.

Item URL in elib:https://elib.dlr.de/203029/
Document Type:Conference or Workshop Item (Poster)
Title:Comparative study on sulfur infiltration methods for metal-sulfur batteries
Authors:
AuthorsInstitution or Email of AuthorsAuthor's ORCID iDORCID Put Code
Schwan, MarinaUNSPECIFIEDhttps://orcid.org/0000-0001-6329-8164UNSPECIFIED
Kröner, JessicaUNSPECIFIEDUNSPECIFIEDUNSPECIFIED
Milow, IdaUNSPECIFIEDUNSPECIFIEDUNSPECIFIED
Milow, BarbaraUNSPECIFIEDhttps://orcid.org/0000-0002-6350-7728UNSPECIFIED
Date:January 2024
Refereed publication:Yes
Open Access:No
Gold Open Access:No
In SCOPUS:No
In ISI Web of Science:No
Status:Published
Keywords:metal-sulphur battery, aerogel, infiltration methods
Event Title:Batterieforum Berlin 2024
Event Location:Berlin
Event Type:national Conference
Event Start Date:24 January 2024
Event End Date:26 January 2024
HGF - Research field:Energy
HGF - Program:Materials and Technologies for the Energy Transition
HGF - Program Themes:Electrochemical Energy Storage
DLR - Research area:Energy
DLR - Program:E VS - Combustion Systems
DLR - Research theme (Project):E - Materials for Electrochemical Energy Storage
Location: Köln-Porz
Institutes and Institutions:Institute of Materials Research > Aerogels and Aerogel Composites
Deposited By: Schwan, Marina
Deposited On:08 Apr 2024 09:16
Last Modified:07 May 2024 14:37

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